一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法

摘要

本发明涉及一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，其是对高铬铸钢表面疲劳微裂纹进行激光快速修复，获得耐腐蚀、耐高温磨损性能的表面强化层。其特征在于包括：①对带有表面疲劳微裂纹的高铬铸钢试样进行表面预处理，并预热到150℃保温1.5h；②激光光斑直径Φ3～Φ5.5mm，功率1800～2700W，扫描速度300～1500mm/min，搭接率16.7%～50%，采用氩气为保护气体；③激光处理后进行560℃两次回火处理，每次保温时间1h；④激光熔凝处理过程中起始点和终止点均不得落在工件上。本发明的方法能使高铬铸钢表面疲劳微裂纹被熔合，激光熔凝层与基体呈冶金结合，厚度为0.4～0.7mm，硬度提高至HV672，耐蚀性能较基体提高3倍，560℃和650℃下的高温磨损性能较基体显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，属于材料表面处理方法的创新技 术。本方法适用于轧制钢坯的高铬铸钢热轧辊表面的局部修复及强化处理。

背景技术

高铬铸钢中由于碳及合金元素的含量较高，基体中含有大量的一次碳化物，具有较高的机械强度及耐 磨性，逐渐取代了半钢和高铬铸铁轧辊，广泛用作热轧带钢连轧机粗轧和精轧前段工作辊、宽中厚板粗轧 和精轧工作辊及小型型钢和棒材轧机精轧辊等。然而，高铬铸钢基体中的一次碳化物呈网状沿晶界分布， 轧辊表面与高温红热（约为1250℃）的轧材直接接触，轧辊表层温度瞬时被加热到500℃～650℃，表现 为压应力，次表层为拉应力；脱离轧件时，表层转化为拉应力，次表层为压应力，同时加上冷却水的反复 作用，周期性交变热应力导致出现热疲劳裂纹。严重情况下，网状碳化物为裂纹提供了扩展途径，裂纹扩 展可能造成辊面剥落，甚至断辊，导致轧辊过早失效。

传统的修复方法是将表面有疲劳微裂纹的轧辊进行车削加工，除去表面疲劳层，然后再进行热处理。 该方法工艺程序复杂，且将导致轧辊尺寸大幅度减小。由于轧辊的失效大多发生在轧辊近表层，因此对轧 辊表面进行近表层的修复及强化处理，可以不改变整体材质的前提下提高轧辊表面性能，降低生产成本。 目前表面强化方法最常用的是堆焊和激光表面强化。

专利（03116017.4）内容涉及一种大型轧辊硬面堆焊修复方法，具体是采用成份含有C、Cr、Si、Mn、 S、Fe等元素的焊丝在轧辊表面按一定工艺依次堆焊三层材料：基础层、过渡层和硬面层。本发明方法用 于大型轧辊的修复和表面强化，效果良好，解决了辊面局部或大面积脱落等问题，降低了部件成本，延长 了使用寿命。但是在堆焊前要求将轧辊表面缺陷（裂纹等）进行去除，且处理过程中容易产生裂缝、夹渣、 焊瘤和脱落，一般要求焊前预热、层间保温和焊后回火等，恶化了劳动条件；且堆焊后需对堆焊层进行机 加工，显著增加了工艺成本，这些都限制了堆焊技术的发展。

激光表面硬化处理作为一种新兴的热处理技术，激光熔凝处理是目前激光表面改性研究的热点之一， 主要是利用比相变硬化时更高的激光能量（约10⁵W/cm²），使金属表层快速熔化并造成熔化金属和基体之 间很大的温度梯度。激光移开后，熔化金属快速凝固，表面获得极细或超细化的组织结构，表面成分偏析 减少，表层的缺陷和微裂纹可被熔化，硬化层较深。且工艺灵活、对基体组织、性能尺寸影响较小。专利 （200920091416.3）内容涉及一种用于制造薄板轧辊激光熔覆的方法，即在轧辊表面激光熔覆铁基合金或 镍基合金耐磨层，该耐磨层耐磨性能好，不易脱落，然而，激光熔覆处理后表面粗糙度较大，需进行精磨 加工，增加了工作量。专利（95101036.0）内容涉及一种轧钢工业上使用的用激光处理轧辊表面的方法， 是对铸钢轧辊表面进行激光相变硬化处理，达到提高轧辊性能的目的。但是，激光相变硬化处理得到的硬 化层较浅，且表面容易出现裂纹，影响轧辊的使用寿命。专利（01114853.5）内容涉及采用激光熔凝处理 技术改善铸钢轧辊表面性能，主要是针对高碳锰钢轧辊，但未解决高铬铸钢材料表面微裂纹修复问题及其 激光表面强化问题。

本发明的激光强化方法是用激光束对表面带有微裂纹的高铬铸钢材料表面进行激光熔凝处理，不需要 额外添加材料，熔凝层与基体间呈冶金结合，处理后无杂质和气孔产生，且快速加热、冷却条件下可获得 均匀细小的奥氏体枝晶组织，处理后进行300℃～650℃回火处理两次，每次保温1h，熔凝层硬度明显提 高至HV672。激光快速熔凝处理高铬铸钢使耐蚀性能明显改善，560℃和650℃的高温耐磨性能显著提高。

发明内容

本发明的目的是克服其他表面热处理方法的缺点，提供一种高效、操作简便且环保的高铬铸钢材料表 面微裂纹修复及强化的新方法。

本发明所述的高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，是将待处理高铬铸钢材料表面进行去 油污、铁锈处理，然后喷涂吸光涂料，将激光发生器发出的激光束通过导光系统传输到待处理试件表面， 聚焦成圆形光斑，采用连续搭接的方式，实现高铬铸钢表层疲劳微裂纹的快速修复及表面强化处理。

上述的一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，其特征在于，所述的基体为高铬铸钢。

上述的一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，其特征在于，所述高铬铸钢表层疲劳微 裂纹深度不超过0.4mm。

上述的一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，其特征在于，高铬铸钢材料表层有疲劳 微裂纹，采用激光快速熔凝处理进行修复及强化。

上述的一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，具体步骤如下：

（1）对待处理的高铬铸钢材料表面进行预处理；

（2）对高铬铸钢材料表面进行激光快速熔凝处理，使其加热至表面熔化；

（3）进行表面清理、检查。

上述的一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，其特征在于，所述步骤（1）中处理工 艺为：先采用砂纸对高铬铸钢材料表面进行去铁锈处理，再用丙酮擦拭高铬铸钢表面去油污，再将吸光涂 料喷涂在高铬铸钢表面，喷涂层厚度约为0.05mm，然后将待处理试样放入箱式热处理内预热1.5h，预热 温度150℃。

上述的一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，其特征在于，所述步骤（1）所述的吸 光涂料为以SiO₂为骨料、膨润土为防沉剂、乙二醇为粘结剂，稀土为助剂，使用时采用无水乙醇稀释。

上述的一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，其特征在于，所述步骤（2）中对高铬 铸钢激光熔凝处理的具体工艺参数为：将激光发生器发出的激光束通过导光系统传输到待处理材料表面， 并将激光光斑调整到Φ3～Φ5.5mm，功率1800～2700W，扫描速度300～1500mm/min，搭接率16.7%～50%， 采用氩气为保护气体，处理后熔凝层经300℃～650℃两次，每次保温1h。

上述的一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，所述步骤（2）中为保证高铬铸钢材料 激光强化后不产生新的裂纹，激光处理的起始点和终止点不能落在材料表面。

经过上述处理后，高铬铸钢材料表面疲劳微裂纹被熔合，硬化层深度可达0.4～0.7mm，经回火处理后 表面硬度高达HV672，熔凝层的耐蚀性能较基体提高3倍，且560℃和650℃下的高温磨损性能显著提高。

本发明的一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，其技术关键是采用吸光涂料喷涂轧辊 表面，以激光束为热源，采用合理的工艺参数，实现表面疲劳微裂纹的快速熔合，获得表面无裂纹、硬度 高且均匀、表面光洁度高、具有一定深度的硬化层。本发明缩短了加工时间，对环境友好，操作简便，适 宜于工业化生产。

本发明的优点及有益效果

本发明是采用激光熔凝技术对高铬铸钢轧辊表面的疲劳微裂纹进行快速修复，通过激光处理后，在高 铬铸钢表面制备无裂纹、耐腐蚀且耐高温磨损的强化层。其特点如下：

①表面有疲劳微裂纹的高铬铸钢材料进行激光熔凝处理，解决了高铬铸钢表面微裂纹的快速修复问题。

②激光快速熔凝处理的作用一是熔合疲劳微裂纹，二是提高高铬铸钢材料的表面性能，三是细化表层 组织晶粒，形成更多的位错、孪晶等微观亚结构，起到强化作用。

③激光快速熔凝处理后硬化层深度可达0.4～0.7mm，经回火处理后硬度可达HV672。

④激光快速熔凝处理对高铬铸钢材料的粗糙度和径向尺寸影响较小，一般情况下可以不需进行后续加 工而直接使用；

⑤该方法缩短了高铬铸钢轧辊的加工修复时间，操作简便，对环境无污染，表面疲劳微裂纹得以修复， 且强化层具有较高的耐蚀性及耐高温磨损性能。

说明书附图及附图的简要说明

图1高铬铸钢轧辊表面疲劳裂纹。

图2为高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复处理流程图。

图3为高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复强化层的剖面结构示意图。a-高铬铸钢基体；b-热影响 区；c-熔凝层。

图4为带疲劳微裂纹的高铬铸钢激光熔凝处理后渗透探伤形貌。a-激光熔凝区；b-高铬铸钢基体。

图5为多道搭接激光熔凝处理后的宏观形貌。

具体实施方式：

下面通过具体实施案例进一步说明本发明，以利于理解本发明，但不限制本发明内容。

实施例一：高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹的激光快速修复及表面强化

首先，以用于高铬铸钢轧辊为处理对象，高铬铸钢表面疲劳微裂纹深度小于0.4mm，先采用砂纸对高 铬铸钢轧辊材料表面进行去铁锈处理，再用丙酮擦拭高铬铸钢表面去油污。

其次，采用日本岩田W-77型喷枪将吸光涂料均匀地喷涂在高铬铸钢材料表面，吸光涂料喷涂层厚度 约为0.05mm，将待处理试样放入箱式热处理内预热1.5h，预热温度150℃。

再采用连续搭接方式进行激光快速熔凝处理。具体工艺参数为：采用5kW横流CO₂激光加工系统， 光斑大小取Φ3mm，功率2700W，以300mm/min的扫描速度、搭接1.0mm在高铬铸钢材料表面进行连续 扫描，采用氩气为保护气体。激光束辐照高铬铸钢过程中，表层吸收光能立即转化为热能，从而使激光作 用区的温度急剧上升并发生微熔化，表面微裂纹熔合，并借助基体快速冷却，获得深度0.7mm的熔凝层。

然后，采用箱式热处理炉对激光熔凝层进行560℃回火处理两次，每次保温1h，熔凝层硬度达到HV672。

性能检测：

高铬铸钢材料激光快速搭接熔凝处理后，表面无气孔、裂纹等缺陷，原始表面的疲劳微裂纹被熔合， 强化层平整（见图2）。高铬铸钢激光熔凝层具有较高的回火稳定性。强化层的电化学腐蚀电流仅为高铬铸 钢基体的1/3。高铬铸钢在560℃磨损后失重量最大，达到45.4mg，650℃时试样由于发生粘着磨损反而增 重。高铬铸钢材料激光强化热处理后，560℃磨损后的失重量仅为8.9mg，远远小于处理前，650℃时失重 量仅为1.4mg。

建议保护的内容：

①高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复工艺；

②高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法。